露天開采境界內(nèi)地下采空區(qū)穩(wěn)定性影響因素分析

黨國建，林衛(wèi)星

(1.欒川龍宇鉬業(yè)有限公司， 河南洛陽市 471500;2.長沙礦山研究院， 湖南長沙 410012)

露天開采境界內(nèi)地下采空區(qū)穩(wěn)定性影響因素分析

黨國建1，林衛(wèi)星2

(1.欒川龍宇鉬業(yè)有限公司， 河南洛陽市 471500;2.長沙礦山研究院， 湖南長沙 410012)

針對南泥湖鉬礦露天坑底存在的大量復(fù)雜采空區(qū)，采用先進的三維有限元數(shù)值分析軟件，對采空區(qū)穩(wěn)定性進行計算，分析典型采空區(qū)頂板、底板及幫壁中的應(yīng)力、應(yīng)變和位移分布狀況與規(guī)律，對影響采空區(qū)穩(wěn)定性的主要因素進行計算，以最大限度地了解井下采空區(qū)對露天開采的影響與危害，確保露天開采及空區(qū)處理過程中的安全。

露天礦;地下采空區(qū);數(shù)值模擬;穩(wěn)定性分析

1 礦區(qū)概述

南泥湖鉬礦區(qū)面積3.98 km2，主礦體東西長2600 m，南北寬 1000～1400 m，最大礦體厚度420.12 m。探明鉬保有工業(yè)礦石量約7億t，地質(zhì)品位0.072%，鉬金屬量約50萬t，有用組分除輝鉬礦外，還伴生有白鎢礦，是以鉬為主的鉬、鎢特大型礦床。南泥湖鉬礦始建于2006年4月，采用露天開采，經(jīng)過近2 a的開拓建設(shè)，目前露天采場臺階已形成20000 t/d的生產(chǎn)規(guī)模，首采區(qū)地表揭露面積600 m×700 m，最低臺階1330 m水平，最高臺階1490 m水平。

南泥湖鉬礦的開采始于1980年代，采用平硐或斜井開拓方式，淺孔留礦法或房柱式采礦方法進行“肥水快流式”地下開采。民采形成的采場長15～30 m，寬8～15 m，采場面積200～300 m2，部分地方采場礦柱被盜采或垮落，幾個采場相互連通，形成空場面積500～800 m2。采場高度大多為4～8 m，個別高度超10 m，導(dǎo)致上下中段間頂板厚度過小，部分地段甚至上下采透。據(jù)調(diào)查與不完全統(tǒng)計，截止2003年，南泥湖礦區(qū)井下采出礦石量累計約1162萬t，采空區(qū)面積約40.6萬m2，體積約426萬m3。

由于大規(guī)模采空區(qū)群存在于當前生產(chǎn)的露天境界內(nèi)，嚴重影響臺階生產(chǎn)的同時也給礦山施工的人員和設(shè)備帶來了極大的安全威脅。為了最大限度地了解井下采空區(qū)對露天開采的影響與危害，確保露天開采及空區(qū)處理過程中的安全，擬對采空區(qū)穩(wěn)定性進行數(shù)值模擬計算，研究典型采空區(qū)頂板、底板及幫壁中的應(yīng)力、應(yīng)變和位移分布狀況與規(guī)律，著重分析采空區(qū)頂板的受力狀況與規(guī)律，對影響采空區(qū)穩(wěn)定性的主要因素進行計算。

2 數(shù)值模擬計算

本次計算選用三維有限單元法，應(yīng)用巖土工程三維應(yīng)力分析軟件3D－σ，對復(fù)雜條件與復(fù)雜形狀采空區(qū)的穩(wěn)定性進行分析。

2.1 數(shù)值模擬計算的基礎(chǔ)條件

(1)巖石物理力學(xué)參數(shù)。龍宇鉬礦露天采場有2種主要巖體，即黑云母長英角巖和陽起石透輝石長英角巖，數(shù)值模擬計算所用的材料力學(xué)參數(shù)為經(jīng)過工程處理后的巖體力學(xué)參數(shù)。

(2)原巖應(yīng)力。本礦區(qū)沒有原巖應(yīng)力方面的實測資料，況且，由于采用露天開采，現(xiàn)場原巖應(yīng)力基本上已經(jīng)釋放，數(shù)值模擬計算時原巖應(yīng)力按自重應(yīng)力場處理。

(3)外載荷。外載荷分為靜載荷和動載荷2種。靜載荷主要為地表設(shè)備載荷;動載荷包括爆破振動和錘機振動等，其中以爆破振動的危害較大。

2.2 數(shù)值模擬計算方案

影響采空區(qū)穩(wěn)定性的因素很多，主要有:采空區(qū)長度、寬度、高度、頂板巖層厚度、臺階自由面、靜載荷、動載荷及巖體自身條件等。為了分析這些因素對采空區(qū)穩(wěn)定性的影響，共設(shè)計了36個有限元數(shù)值模擬計算方案。

采用直接加載的外加載模型。邊界條件按三維有限單元法通用做法給定，根據(jù)計算方案的需要進行約束。載荷條件為地表外載荷+巖體自重。地表設(shè)備重量視為集中點載荷。

為了提高模型的計算精度，用20節(jié)點的高精度等參單元離散模型網(wǎng)格。整個模型共有單元9540～27180個，節(jié)點總數(shù)為42848～112450個(不同的計算方案，單元和節(jié)點數(shù)不同)。使用巖土工程中廣泛使用的德拉克－普拉格(Drucker－prager)塑性屈服準則進行三維彈塑性有限元計算分析。

3 空區(qū)圍巖應(yīng)力與位移狀況分析

對井下典型的采空區(qū)，即空區(qū)寬15 m、長45 m、高6 m、頂板厚7 m、地表靜載荷50 t作用下的模型進行分析，計算結(jié)果的有關(guān)數(shù)值范圍情況見表1。

表1 采空區(qū)穩(wěn)定性分析的有關(guān)計算結(jié)果

從應(yīng)力、位移和巖體屈服3個方面，對采場開挖過程中的穩(wěn)定性情況進行分析，總結(jié)出井下采空區(qū)圍巖應(yīng)力、位移及屈服狀態(tài)的一般規(guī)律如下:

(1)采空區(qū)頂、底板及幫壁為拉應(yīng)力集中部位，采空區(qū)幫壁與頂?shù)装宓慕唤犹?采空區(qū)上下邊角處)為壓應(yīng)力和剪應(yīng)力集中部位。最大拉應(yīng)力出現(xiàn)于采空區(qū)頂板中央處，最大壓應(yīng)力和最大剪應(yīng)力出現(xiàn)于采空區(qū)邊角處。頂板拉應(yīng)力的存在是導(dǎo)致采空區(qū)失穩(wěn)的重要原因。

(2)井下采場開挖后，位移指向采空區(qū)，即頂板下沉，底板上移;最大位移值出現(xiàn)于采場頂板中央處。

(3)采空區(qū)幫壁與頂?shù)装宓慕唤犹帪閹r體屈服部位，巖體屈服程度隨采空區(qū)大小和頂板巖層厚度變化而不同。

4 采空區(qū)穩(wěn)定性影響因素計算分析

4.1 采空區(qū)長度對空區(qū)穩(wěn)定性的影響

采空區(qū)寬度、高度、頂板巖層厚度、載荷及約束條件固定不變，只改變采空區(qū)長度進行有限元數(shù)值模擬計算。固定采空區(qū)寬度為20 m，高度6 m，頂板巖層厚度為10 m，地表作用設(shè)備重量外載荷50 t，無臺階自由面;采空區(qū)長度分別為 20，40，60，80和100 m，即采空區(qū)的長度分別為寬度的1倍、2倍、3倍、4倍和5倍等5種不同的采空區(qū)長度條件下的有關(guān)計算結(jié)果見表2。

表2 采空區(qū)長度不同時的有關(guān)計算結(jié)果

從表2可見，隨著采空區(qū)長度尺寸的增大，空區(qū)頂板內(nèi)最大拉應(yīng)力、最大壓應(yīng)力和最大剪應(yīng)力均呈逐漸增大趨勢;當空區(qū)長度達到空區(qū)寬度3倍之后，應(yīng)力增加不明顯，當空區(qū)長度達到空區(qū)寬度4倍之后，最大應(yīng)力幾乎不再變化。

4.2 采空區(qū)寬度對空區(qū)穩(wěn)定性的影響

采空區(qū)長度、高度、頂板巖層厚度、載荷及約束條件固定不變，只改變采空區(qū)寬度進行有限元數(shù)值模擬計算。固定采空區(qū)長度為40 m，高度6 m，頂板巖層厚度為5 m，地表作用設(shè)備重量外載荷50 t，無臺階自由面;采空區(qū)寬度分別為5，10和20 m。選取最大拉應(yīng)力作為方案比較的主要依據(jù)，最大壓應(yīng)力和最大剪應(yīng)力作為方案比較的輔助參量。3種不同的采空區(qū)寬度條件下的有關(guān)計算結(jié)果見表3。

表3 采空區(qū)寬度不同時的有關(guān)計算結(jié)果

從表3可見，隨著采空區(qū)寬度尺寸的增大，空區(qū)頂板內(nèi)最大拉應(yīng)力和最大剪應(yīng)力呈逐漸增大趨勢，最大壓應(yīng)力則呈逐漸減小趨勢。

4.3 采空區(qū)高度對空區(qū)穩(wěn)定性的影響

采空區(qū)長度、寬度、頂板巖層厚度、載荷及約束條件固定不變，只改變采空區(qū)高度進行有限元數(shù)值模擬計算。固定采空區(qū)長度為40 m，寬度10 m，頂板巖層厚度為5 m，地表作用設(shè)備重量外載荷50 t，無臺階自由面;采空區(qū)高度分別為3，6和12 m。選取最大拉應(yīng)力作為方案比較的主要依據(jù)，最大壓應(yīng)力和最大剪應(yīng)力作為方案比較的輔助參量。3種不同的采空區(qū)高度條件下的有關(guān)計算結(jié)果見表4。

表4 采空區(qū)高度不同時的有關(guān)計算結(jié)果

從表4可見，隨著采空區(qū)高度尺寸的增大，空區(qū)頂板內(nèi)最大拉應(yīng)力呈逐漸減小趨勢，最大壓應(yīng)力和最大剪應(yīng)力的變化規(guī)律不明顯。

4.4 頂板巖層厚度對空區(qū)穩(wěn)定性的影響

采空區(qū)長度、寬度、高度、載荷及約束條件固定不變，只改變采空區(qū)頂板巖層厚度進行有限元數(shù)值模擬計算。固定采空區(qū)長度為40 m，寬度10 m，高度6 m，地表作用設(shè)備重量外載荷50 t，無臺階自由面;頂板巖層厚度分別為3，4，5和7 m。選取最大拉應(yīng)力作為方案比較的主要依據(jù)，最大壓應(yīng)力和最大剪應(yīng)力作為方案比較的輔助參量。4種不同的頂板巖層厚度條件下的有關(guān)計算結(jié)果見表5。

表5 頂板巖層厚度不同時的有關(guān)計算結(jié)果

從表5可見，隨著采空區(qū)頂板巖層厚度尺寸的增大，空區(qū)頂板內(nèi)最大拉應(yīng)力呈逐漸減小趨勢，最大壓應(yīng)力和最大剪應(yīng)力的變化規(guī)律不明顯。

4.5 臺階自由面對空區(qū)穩(wěn)定性的影響

露天開采時，臺階側(cè)向自由面的存在對井下采空區(qū)的穩(wěn)定性有一定影響。采空區(qū)長度、寬度、高度、頂板巖層厚度、載荷及約束條件固定不變，只改變臺階自由面的數(shù)量進行有限元數(shù)值模擬計算。固定采空區(qū)長度為40 m，寬度10 m，高度6 m，頂板巖層厚5 m，地表作用設(shè)備重量外載荷50 t;臺階側(cè)向自由面(不包括頂面)分別為0，1，2，3和4個。選取最大拉應(yīng)力作為方案比較的主要依據(jù)，最大壓應(yīng)力和最大剪應(yīng)力作為方案比較的輔助參量。4種不同的臺階側(cè)向自由面數(shù)條件下的有關(guān)計算結(jié)果見表6。

表6 臺階側(cè)向自由面數(shù)不同時的有關(guān)計算結(jié)果

從表6可見，隨著臺階側(cè)向自由面數(shù)的增加，空區(qū)頂板內(nèi)最大拉應(yīng)力呈逐漸增大趨勢，最大壓應(yīng)力和最大剪應(yīng)力呈逐漸減小趨勢。

4.6 地表設(shè)備靜載荷對空區(qū)穩(wěn)定性的影響

采空區(qū)長度、寬度、高度、頂板巖層厚度及約束條件固定不變，只改變地表靜載荷的大小進行有限元數(shù)值模擬計算。固定采空區(qū)長度為40 m，寬度10 m，高度6 m，頂板巖層厚度為5 m，無臺階側(cè)向自由面;地表設(shè)備重量分別為 0，50，100，150，200，250，450和500 t。此外，為了分析采空區(qū)面積變化時外載荷對空區(qū)穩(wěn)定性的影響，改變采空區(qū)面積進行模擬計算。改為空區(qū)長度60 m，寬度20 m，高度10 m，頂板巖層厚度為10 m，無臺階自由面;地表無設(shè)備外載荷或作用50 t靜載荷。選取最大拉應(yīng)力作為方案比較的主要依據(jù)，最大壓應(yīng)力和最大剪應(yīng)力作為方案比較的輔助參量。不同靜載荷作用條件下的有關(guān)計算結(jié)果見表7。

表7 不同靜載荷作用條件下的計算結(jié)果(空區(qū)寬度10 m)

從表7可以看出，隨著地表靜載荷的增大，采空區(qū)頂板最大拉應(yīng)力、最大壓應(yīng)力和最大剪應(yīng)力均呈逐漸增大趨勢。當?shù)乇盱o載荷小于50 t時，空區(qū)頂板拉應(yīng)力增加不多(只增加0.018 MPa);當?shù)乇盱o載荷為100 t時，空區(qū)頂板拉應(yīng)力增加較多(增加0.065 MPa);當?shù)乇盱o載荷為500 t時，空區(qū)頂板拉應(yīng)力增加更多(增加0.211 MPa)。可見，當?shù)乇碓O(shè)備重量不大時，地表設(shè)備對采空區(qū)穩(wěn)定性的影響不明顯;反之，當?shù)乇碓O(shè)備重量較大時，對采空區(qū)穩(wěn)定性的影響較明顯。

為什么這樣說呢？筆者認為，通過深入探析栗戰(zhàn)書委員長關(guān)于推動地方立法工作“三同”的論述之要義，即可獲得滿意答案。

改變采空區(qū)暴露面積，采空區(qū)寬度由10 m增大為20 m，頂板巖層厚度由5 m增加為10 m，空區(qū)高度均為6 m，無臺階自由面，地表無設(shè)備外載荷或作用50 t靜載荷。此時的有關(guān)計算結(jié)果見表8。

從表8可以看出，當采空區(qū)寬度為10 m時，地表靜載荷50 t比無外載荷作用條件下頂板最大拉應(yīng)力增加0.018 MPa;當采空區(qū)寬度為20 m時，地表靜載荷50 t比無外載荷作用條件下頂板最大拉應(yīng)力只增加0.007 MPa。可見，隨著采空區(qū)暴露面積的增加，相同外載荷對空區(qū)穩(wěn)定性的影響程度減弱。

表8 不同空區(qū)寬度條件下的有關(guān)計算結(jié)果

4.7 爆破振動對空區(qū)穩(wěn)定性的影響

爆破振動對采空區(qū)穩(wěn)定性的影響較為復(fù)雜，其影響程度與同段炸藥量及距離的遠近有關(guān)。本次研究采用通常的作法，即在振動影響范圍內(nèi)施加1個垂直向下的等效分布靜力，其大小為:

式中，W——頂板巖體自重應(yīng)力，MPa;

Kc——爆破振動影響系數(shù)，可通過爆破測震的方式確定。

當采空區(qū)頂板巖層厚度為5 m時，W=γ×h=0.027 ×5=0.135 MPa。

爆破振動影響系數(shù)Kc根據(jù)經(jīng)驗選取。

采空區(qū)長度、寬度、高度、頂板巖層厚度及約束條件固定不變，只改變爆破振動影響系數(shù)的大小進行有限元數(shù)值模擬計算。固定采空區(qū)長度為40 m，寬度10 m，高度6 m，頂板巖層厚度為5 m，無臺階側(cè)向自由面;爆破振動影響系數(shù)分別為0，0.25，0.5，1.0，2.0 和 4.0。

不同爆破振動影響系數(shù)時的有關(guān)計算結(jié)果見表9。

表9 爆破振動影響系數(shù)不同時計算結(jié)果(空區(qū)寬度10 m)

從表9可以看出，隨著爆破振動影響系數(shù)的增大，采空區(qū)頂板最大拉應(yīng)力、最大壓應(yīng)力和最大剪應(yīng)力均呈逐漸增加趨勢，且增加的幅度較大。通常情況下，爆破振動影響系數(shù)為0.0～1.0(隨炸藥量及距離大小而變化)，當爆破振動影響系數(shù)為0.5時，空區(qū)頂板拉應(yīng)力增加0.131 MPa;當爆破振動影響系數(shù)為1.0時，空區(qū)頂板拉應(yīng)力增加0.261 MPa。

可見，爆破振動作用對采空區(qū)頂板穩(wěn)定性的影響較大;相對于設(shè)備靜載荷而言，爆破振動動載荷對采空區(qū)頂板穩(wěn)定性的影響更加明顯。

4.8 巖體自身條件對空區(qū)穩(wěn)定性的影響

巖體自身條件對采空區(qū)穩(wěn)定性的影響最為直接。當巖性或者巖體質(zhì)量發(fā)生變化時，對采空區(qū)穩(wěn)定性的影響很大。

南泥湖鉬礦露天采場有2種主要巖體，即黑云母長英角巖和陽起石透輝石長英角巖，二者的力學(xué)強度不一。黑云母長英角巖的單軸抗拉強度比陽起石透輝石長英角高0.24 MPa。當采空區(qū)頂板巖體為黑云母長英角巖時，采空區(qū)頂板的穩(wěn)定性將較好;反之，當采空區(qū)頂板巖體為陽起石透輝石長英角時，采空區(qū)頂板的穩(wěn)定性相對來說將要稍差一些。

此外，對于同一種巖性而言，其巖體質(zhì)量也有好壞之分。在巖體結(jié)構(gòu)較完整的地方，空區(qū)周邊巖體的穩(wěn)定性肯定會要好一些，而在巖體破碎處，空區(qū)圍巖穩(wěn)定性將會差些。

5 結(jié)論

采用先進的三維有限元軟件對南泥湖鉬礦井下采空區(qū)的穩(wěn)定性進行了較為全面的計算分析。探討了采空區(qū)圍巖應(yīng)力狀態(tài)的一般規(guī)律，對影響采空區(qū)穩(wěn)定性的主要因素進行了計算或分析，所得的主要結(jié)論如下。

(1)采空區(qū)圍巖應(yīng)力狀態(tài)的一般規(guī)律是:采空區(qū)頂、底板及幫壁為拉應(yīng)力集中部位，采空區(qū)幫壁與頂?shù)装宓慕唤犹帪閴簯?yīng)力和剪應(yīng)力集中部位;最大拉應(yīng)力出現(xiàn)于采空區(qū)頂板中央處，最大壓應(yīng)力和最大剪應(yīng)力出現(xiàn)于采空區(qū)邊角處;頂板拉應(yīng)力的存在是導(dǎo)致采空區(qū)失穩(wěn)的重要原因。

(2)隨著采空區(qū)長度尺寸的增大，空區(qū)頂板內(nèi)最大拉應(yīng)力、最大壓應(yīng)力和最大剪應(yīng)力均呈逐漸增大趨勢;當空區(qū)長度達到空區(qū)寬度3倍之后，應(yīng)力增加不明顯，當空區(qū)長度達到空區(qū)寬度4倍之后，最大應(yīng)力幾乎不再變化。

(3)隨著采空區(qū)寬度尺寸的增大和臺階側(cè)向自由面數(shù)的增加，空區(qū)頂板內(nèi)最大拉應(yīng)力呈逐漸增大趨勢;隨著采空區(qū)高度和頂板巖層厚度的增大，空區(qū)頂板內(nèi)最大拉應(yīng)力呈逐漸減小趨勢。

(4)當?shù)乇碓O(shè)備重量不大時(小于50 t)，地表設(shè)備對采空區(qū)穩(wěn)定性的影響不明顯;當?shù)乇碓O(shè)備重量較大時(大于100 t)，對采空區(qū)穩(wěn)定性的影響較明顯;隨著采空區(qū)暴露面積的增加，相同外載荷對空區(qū)穩(wěn)定性的影響程度減弱。

(5)爆破振動作用對采空區(qū)頂板穩(wěn)定性的影響較大;相對于設(shè)備靜載荷而言，爆破振動動載荷對采空區(qū)頂板穩(wěn)定性的影響更加明顯。

(6)巖體自身條件對采空區(qū)穩(wěn)定性的影響最為直接，當巖性或者巖體質(zhì)量發(fā)生變化時，對采空區(qū)穩(wěn)定性的影響很大。

[1] 張曉君.影響采空區(qū)穩(wěn)定性的因素敏感性分析[J].礦業(yè)研究與開發(fā)，2006，26(1):14 －16.

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2011－02－18)

黨國建(1970－)，男，河南南陽人，工程師，主要從事于礦山采礦安全生產(chǎn)及管理。